1.5. Pilnutinio ir statinio slėgių sistemų prietaisai
Statinio ir pilnutinio slėgių sistemos
Skrisdami lakūnai turi žinoti, koks orlaivio aukštis, greitis, kokia skrydžio kryptis, kaip greitai jis kyla ar leidžiasi, kiek jis nukrypęs nuo pasirinktojo skrydžio aukščio. Orlaiviui skrendant, aplink nieko nėra, tik jį supantis oras. Daug prietaisų iš jo gauna reikiamą informaciją. Praktiškai naudojami tik trys orlaivį supančio oro duomenys – oro slėgis, jo temperatūra ir oro pasipriešinimo dydis, orlaiviui skrendant. Lauko oro paėmimo ir tiekimo prietaisams sistemos vadinamos statinio ir pilnutinio slėgių sistemomis.
Kiekvieną kūną slegia jį supantis oras. Oro slėgio dydį lemia atmosferos savybės. Jos kinta dėsningai, atsižvelgiant į aukštį, nors yra ne visai vienodos ir skirtingose Žemės vietose arba toje pat vietoje, tik kitu metu. Prie Žemės paviršiaus yra daugiau oro ir jo tankis – didesnis, todėl kuo kūnas yra aukščiau nuo Žemės, tuo oras yra retesnis ir slegia kūną mažiau. Kintant temperatūrai, kinta oro tankis, todėl oro slėgis priklauso ir nuo temperatūros. Prie Žemės paviršiaus, padidėjus aukščiui vienu kilometru, slėgis sumažėja daugiau negu pasikeitus aukščiui pavyzdžiui, nuo 9 iki 10 kilometrų. Aviacijoje oro slėgis matuojamas gyvsidabrio stulpelio milimetrais, hektopaskaliais arba milibarais, JAV – gyvsidabrio stulpelio coliais.
Kūną supančio oro slėgis vadinamas statiniu slėgiu PS. Nors Žemėje yra vietų, kurių paviršius yra žemiau jūros lygio (pavyzdžiui, Kaspijos jūros pakrantė), susitarta, kad nulinis aukštis yra jūros lygis ir kad šiame lygyje statinis slėgis yra didžiausias. Maždaug 5,5 km aukštyje šis slėgis sumažėja perpus. Kadangi oro tankis šiek tiek priklauso nuo jo temperatūros, tame pačiame aukštyje skirtingoje oro temperatūroje bus skirtingas ir statinis slėgis. Išmatuoti orlaivio aukštį galima vien tik žinant jį supančio oro slėgį (statinį slėgį). Skrendant maršrutu nėra labai svarbu tiksliai žinoti absoliutųjį skrydžio aukštį. Svarbiau neleisti orlaiviams pavojingai suartėti besikertant maršrutams, todėl, matuojant aukštį, paklaida dėl išorės oro temperatūros paprastai nekompensuojama, nes paklaida bus vienoda visiems orlaiviams, esantiems tame pačiame aukštyje ir toje pačioje vietoje.
Tyrimais nustatyta, kad, didėjant aukščiui, statinis slėgis kinta (mažėja) dėsningai. Oras nuolat juda, jo temperatūra ir tankis priklauso nuo paros ir metų laiko, nuo geografinės platumos, aukščio nuo Žemės paviršiaus ir kitų veiksnių. Siekiant palengvinti aukščio matavimus, sumažinti konstrukcijos skirtumus tarp įvairių rūšių aukščiamačių, pagerinti orlaivių valdymą ir navigaciją, pasaulyje naudojama standartinė atmosfera ISA (angl. International Standard Atmosphere), kuri rodo oro slėgio priklausomybę nuo aukščio. Susitarta, kad jūros lygyje standartinės atmosferos temperatūra T0 = +15 °C (288,15 °K), oro slėgis P0 = 101 325 Pa arba 1 013,25 hektopaskalių (760 mm Hg, arba 29,92 colių Hg, arba 1 013,25 milibarų), o oro tankis ρ = 1,225 kg/m3. Vidutinis oro temperatūros mažėjimas kylant aukštyn iki 11 000 m standartinėje atmosferoje įvertinamas temperatūriniu aukščio gradientu τ = 0,0065 ºC/m (arba 6,5 ºC/km), kuris rodo, kiek pakinta oro temperatūra pasikeitus aukščiui vienu metru (arba vienu kilometru). Pasikeitus aukščiui 1 000 pėdų, oro temperatūra pasikeičia 1,98 ºC. Nuo 11 km iki 33 km oro temperatūra yra 217 °K. Kylant aukštyn, oro slėgis sumažėja 1 hPa (1 mb) kas 10 m (kas 30 pėdų). Jei faktinė oro temperatūra už borto nelygi standartinei, oro tankis bus kitoks, dėl to atsiranda metodinės aukščio ir greičio matavimo paklaidos.
Skrendant oro balionu, išmatuoti statinį slėgį yra labai paprasta. Kituose orlaiviuose kyla sunkumų dėl to, kad apie juos visada atsiranda oro sūkurių, kurie sukelia paklaidą matuojant statinį slėgį. Tas labai priklauso nuo orlaivio dydžio, jo formos, skrydžio greičio ir kitų veiksnių. Tokiuose orlaiviuose jį supantis statinis oro slėgis paimamas skylučių formos statinio slėgio imtuvais. Skylutės būtinai turi būti ten, kur yra mažiausi oro sūkuriai. Jos neturi būti net truputį nukreiptos prieš oro srautą, nes tada į jas gali patekti papildomai oro dėl oro pasipriešinimo. Iš skylutės slėgis žarnele patenka į orlaivio pilnutinio/statinio slėgių sistemos prietaisus: prietaisinio greičio matuoklius ASI (angl. Air speed indicator), vertikalaus greičio matuoklius VSI (angl. Vertical speed indicator), aukščiamačius ALT (angl. Altimeter) ir kitus.
Didesniuose orlaiviuose statinio slėgio imtuvai (skylutės) dažniausiai yra toliau nuo orlaivio priekio, lygioje sklandmens dalyje, simetriškai abiejuose orlaivio šonuose. Simetriškas išdėstymas sumažina paklaidas orlaiviui darant posūkius. Jam sukantis į išorinio šono imtuvą patenka šiek tiek daugiau oro ir slėgis jame būna šiek tiek didesnis. Vidinis orlaivio šonas yra tarsi oro srauto šešėlyje ir į jo imtuvą patenka mažesnio slėgio oras. Sujungus abiejų šonų skylutes tarpusavyje žarnelėmis, slėgio vidurkis bus vienodesnis. Žarnelėmis slėgis tiekiamas į kabinos prietaisus ir kitus įrenginius, matuojančius aukščius ar greičius (10 pav.). Tokių prietaisų (statinio slėgio naudotojų) yra daug, todėl ir statinio slėgio imtuvų, t. y. skylučių orlaivio šonuose ir jas jungiančių žarnelių, yra taip pat daug. Jų visuma vadinama orlaivio statinio slėgio sistema.
10 pav. Pilnutinio ir statinio slėgių sistema
Kita orlaivio sistema, tiekianti lauko orą į prietaisus, vadinama pilnutinio slėgių sistema. Kuo greičiau kūnas juda, tuo labiau oras jam priešinasi. Ši savybė taikoma matuojant orlaivio skrydžio greičius. Oro pasipriešinimo dydis yra proporcingas statinio slėgio PS prieaugiui, atsirandančiam judant orlaiviui. Statinis slėgis su šiuo prieaugiu vadinamas pilnutiniu slėgiu PP. Pilnutinio ir statinio slėgių skirtumas vadinamas dinaminiu slėgiu PD:
PD = PP – PS.
Žinant kūną aptekančio oro srauto greitį V ir oro tankį ρ, dinaminį slėgį galima apskaičiuoti pagal formulę:
PD = ρV2 ⁄ 2 Iš lauko pilnutinis slėgis į prietaisus patenka pro vamzdelio formos oro imtuvus, jie vadinami pilnutinio slėgio imtuvais arba Pito vamzdeliais (10 pav.). Priekinis vamzdelio galas yra atviras ir nukreiptas prieš oro srautą, o galinis galas – uždaras. Vamzdelis orientuojamas lygiagrečiai su orlaivį aptekančiu oro srautu, tada vamzdelyje susidaro oro slėgis, proporcingas orlaivio skrydžio greičiui. Kad nebūtų oro sūkurių įtakos matavimams, šie vamzdeliai įtaisomi toliau nuo orlaivio paviršiaus.
Suslėgtasis oras (pilnutinis slėgis) iš imtuvo žarnelėmis tiekiamas į orlaivio prietaisus. Pilnutinio slėgio naudotojų dideliame orlaivyje yra daug, todėl pilnutinio slėgio imtuvų yra du, trys ar dar daugiau. Kai kurių pilnutinio slėgio imtuvų šonuose yra statinio slėgio skylutės, su prietaisais tokie imtuvai sujungiami atskiromis statinio ir pilnutinio slėgio žarnelėmis. Visi pilnutinio slėgio imtuvai ir juos su prietaisais jungiančios žarnelės vadinamos pilnutinio slėgio sistema. Skrendant pilnutinio slėgio imtuvai gali labai greitai apledėti, todėl jie nuolat šildomi elektros srove, kaitinant viduje esančią spiralę. Šildymas įjungiamas prieš skrydį net teigiamoje temperatūroje ne anksčiau kaip 5 min. iki kilimo ir išjungiamas ne vėliau kaip 2 min. po nutūpimo.
Į statinio ir pilnutinio slėgių sistemos vidų nuolat patenka oras. Jame esanti drėgmė kondensuojasi ir vanduo gali užkimšti sistemų vamzdelius arba užšalti, todėl sistemose yra daug vandens registratorių, iš kurių susikaupusį vandenį galima išleisti.
Statinio ir pilnutinio slėgių sistemos labai reikalingos orlaivių navigacijai ir juos valdant, todėl orlaiviuose yra pagrindinės ir atsarginės sistemos (pagrindiniai ir atsarginiai statinio ir pilnutinio slėgių imtuvai ir žarnelės). Apledėjus ar užsiteršus pagrindinės sistemos imtuvams, orlaivio prietaisai nuo pagrindinės sistemos prie atsarginės perjungiami vožtuvais, valdant juos rankenėle kabinoje.
Skrydžio aukščio matavimas
Kambaryje, kuris yra 5 namo aukšte, virš stalo ranka laikant knygą, galima išgirsti nevienodus atsakymus į klausimą, koks jos aukštis. Vieni sakys, kad aukštis yra jos atstumas iki stalo paviršiaus. Kiti jos aukštį matuos nuo kambario grindų. Galbūt bus tokių, kurie knygos aukštį matuos nuo žemės paviršiaus, ant kurio stovi namas. Jis tada bus apie 15 m. Matuojančių knygos aukštį nuo jūros lygio tikriausiai neatsiras. Dabar jau skaitytojui aišku, kad knygos, lėktuvo ar kito daikto aukštis priklauso nuo pasirinkto atraminio lygio – stalviršio, grindų, žemės paviršiaus ar kt. Kitaip negu automobilis, orlaivis juda trimatėje erdvėje. Aukščiamatis yra pagrindinis vertikaliosios navigacijos prietaisas, nuo jo veikimo priklauso skrydžio sauga. Orlaivio skrydžio aukštis pagal nusistovėjusią tradiciją matuojamas pėdomis (1 pėda lygi 0,305 metro).
Lengvuosiuose orlaiviuose yra tik barometriniai aukščiamačiai. Didesnieji lėktuvai ir sraigtasparniai turi ir barometrinius, ir radijo aukščiamačius, o taip pat – palydovines ir inercines navigacijos sistemas, kurios taip pat gali matuoti aukštį.
Barometriniai aukščiamačiai
Barometriniai aukščiamačiai (11 pav.) matuoja skrydžio aukščius nuo pasirinktojo (atraminio) slėgio lygio, jį nustato lakūnai. Į šiuos aukščiamačius tiekiamas tik statinis orlaivį supančio oro slėgis. Barometriniai aukščiamačiai matuoja orlaivio skrydžio aukštį nuo -1 000 iki +50 000 pėdų (nuo -300 m iki 15 km ar net daugiau). Jie yra vieni seniausių aviacijos prietaisų, nėra dideli, todėl juos galima įtaisyti lakūnų kabinos prietaisų lentoje. Ilgoji prietaiso rodyklė skalėje rodo aukštį šimtais pėdų, storesnioji rodyklė – tūkstančiais pėdų. Yra aukščiamačių, kur trečioji rodyklė ar indeksas rodo dešimtis tūkstančių pėdų. Aukštį gali rodyti ne rodyklės, o skaitmeninis būgnelis.
Kintant laikui ir orlaivio vietai erdvėje, kinta jį supančio oro statinis slėgis. Kuo slėgis mažesnis, tuo aukštis didesnis. Skirtingose vietose ant Žemės paviršiaus (arba toje pačioje vietoje, tik kitu metu) oro slėgis gali būti nevienodas, todėl barometrinis aukščiamatis turi ne tik aukščio, bet ir atraminio slėgio skalę (ar būgnelį).
11 pav. Barometrinis aukščiamatis ir jo schema
Prietaiso priekyje yra atraminio slėgio nustatymo rankenėlė. Ją sukdamas, lakūnas atraminio slėgio skalėje ar būgnelyje nustato atraminį slėgio lygį, kurio atžvilgiu bus matuojamas aukštis (12 pav.). Kai į prietaisą patenka toks statinis slėgis, koks jame nustatytas atraminis slėgis, tada aukščiamatis rodo nulinį aukštį. Pakilus aukščiau, barometrinis aukščiamatis rodo aukštį, kuris nesikeičia orlaiviui skrendant virš žemės paviršiaus nelygumų. Prieš skrydį ir skrendant lakūnai gali keisti vieną atraminį slėgio lygį kitu. Tai daroma todėl, kad visi orlaiviai naudotų vienodą skrydžio aukščio atskaitos lygį atitinkamuose skrydžio etapuose. To reikia pirmiausia ne todėl, kad visi orlaiviai skraidytų vienodame aukštyje, o todėl, kad tarp skirtinguose aukščiuose skrendančių orlaivių būtų išlaikytas saugus vertikalaus atstumo tarp jų intervalas. Nustatytos griežtos aukščiamačių atraminio slėgio nustatymo taisyklės. Skrydžio vadovai praneša lakūnams, kokį atraminį slėgį reikia nustatyti atsižvelgiant į konkrečią skrydžio atkarpą.
12 pav. Atraminio slėgio skalė, pažymėta gyvsidabrio stulpelio coliais
Klasikinis barometrinis aukščiamatis savo konstrukcija beveik nesiskiria nuo kambarinio barometro. Statinis slėgis PS, atitinkantis orlaivio aukštį, iš imtuvo žarnele patenka į hermetišką aukščiamačio korpusą ir deformuoja jame esančią aneroidinę kapsulę (11 pav.). Iš kapsulės išsiurbtas beveik visas oras, todėl ant žemės oras ją labai suspaudžia. Kylant aukštyn statinis slėgis mažėja, kapsulė plečiasi ir per alkūnines pavaras, dantračius ir svirteles perduoda judesį pagrindinei prietaiso ašiai, kuri suka rodykles. Kapsulės skersmuo yra apie 5 centimetrai. Jos judančiojo centro poslinkis X yra vos pusė centimetro, todėl sunku pagaminti prietaisą, rodantį aukštį dešimties pėdų tikslumu. Naudojant dvi ar tris nuosekliai sujungtas kapsules, poslinkis X yra didesnis ir toks prietaisas – tikslesnis. Tiesinė priklausomybė tarp rodyklių posūkio kampo ir matuojamo aukščio gaunama naudojant kapsules su logaritmine slėgio charakteristika, kuri gaunama atitinkamai profiliuojant kapsulės sieneles.
Aukščiamačiai (barometriniai ir radijo) orlaivyje gali rodyti skirtingus aukščius. Tai priklauso nuo paviršiaus lygio, kurio atžvilgiu tas aukštis matuojamas. Prietaisai matuoja šiuos aukščius:
1. Absoliutųjį aukštį HA arba aukštį nuo žemės paviršiaus (lauko, kalvos, daubos) iki orlaivio. Jei orlaivis skrenda virš kalvotos vietos, atitinkamai kinta ir HA. Tiksliausiai šį aukštį matuoja radijo aukščiamačiai. Lakūnai dažnai absoliutųjį aukštį naudoja platesne prasme, kai jį matuoja barometriniu aukščiamačiu nuo kokio nors pasirinkto atraminio lygio, pavyzdžiui, nuo kilimo ir tūpimo tako (KTT) paviršiaus. Pavyzdžiui, Kauno tarptautinio aerodromo aukštis nuo jūros lygio yra 256 pėdos, o Vilniaus aerodromo – 646 pėdos (197 m). Nustačius aukščiamatyje atraminį KTT paviršiaus slėgį, kuris tuo metu yra, aukščiamatis rodys nulį.
2. Tikrąjį aukštį HT. Laikant Žemę elipsoidu, šiuo metu nustatyti atstumai nuo jo centro iki bet kurios jo paviršiaus vietos. Mažiausias atstumas yra iki jūros lygio. Jei Žemės paviršiuje būtų tik vanduo, Žemės forma būtų minėtas elipsoidas. Sausuma iškyla virš vandens. Geodeziniais matavimais labai tiksliai nustatyti atstumai nuo jūros lygio iki bet kurios sausumos paviršiaus vietos. Tikrasis aukštis HT yra atstumas nuo jūros lygio iki kokio nors paviršiaus, taip pat ir iki orlaivio. Oro uostų KTT ir kitų paviršių ar oro keliuose esančių kliūčių aukščiai žemėlapiuose nurodyti tikraisiais aukščiais. Kadangi po sausumos paviršiumi jūros nėra, jos lygis dažnai vadinamas tariamuoju arba vidutiniu jūros lygiu MSL (angl. Mean Sea Level). Meteorologai praneša skrydžio valdytojams, o jie – lakūnams, koks tuo metu toje vietoje yra oro slėgis jūros lygyje, nes jis priklauso nuo oro sąlygų ir per kelias valandas gali šiek tiek pasikeisti. Nustačius šį atraminį slėgį skrendančio ar stovinčio lėktuvo aukščiamatyje, jis rodys aukštį nuo jūros lygio. Pavyzdžiui, stovint orlaiviui prie pat jūros kranto aukščiamatis rodys nulinį aukštį, o stovint Kauno KTT take rodys 256 pėdas. Atėmus iš tikrojo aukščio (kurį rodo aukščiamatis) aerodromo KTT aukštį, sužinosime, koks yra absoliutusis skrydžio aukštis aerodromo atžvilgiu. Matuojant tikrąjį skrydžio aukštį tupiant, orlaivis palies taką, kai aukščiamatis rodys tako aukštį nuo jūros lygio. Tupiant Kaune tai bus 256 pėdos, o Vilniuje – 646 pėdos.
3. Standartinį aukštį HS arba aukštį pagal standartinės atmosferos slėgį (angl. Pressure Altitude). Standartinis aukštis HS matuojamas nuo lygio, kuriame +15 °C temperatūroje yra 1013,25 hektopaskalių (760 mm Hg ar 29,92 colių Hg) oro slėgis. Oro slėgis ir temperatūra faktiniame jūros lygyje kinta ir nebūna visada lygūs standartiniam slėgiui, todėl nulinis standartinis lygis gali būti ir žemiau, ir aukščiau faktinio jūros lygio. Praktiškai labai retai būna, kad, esant 1013,25 hektopaskalių oro slėgiui, būtų standartinė +15 °C temperatūra, todėl kuo daugiau oro temperatūra skiriasi nuo standartinės, tuo daugiau kinta oro tankis ir didėja standartinio aukščio matavimo paklaidos.
Kylant, ties pereinamuoju aukščiu (Lietuvoje jis lygus 1500 m arba 5000 pėdų) lakūnai tikrąjį ar absoliutųjį atraminį barometrinio aukščiamačio lygį keičia į standartinį ir orlaiviams nurodoma, kuriame skrydžio lygyje reikia skristi. Žemėjant ir kertant viršutinę pereinamojo skrydžio lygio ribą vėl nustatomas tikrasis ar absoliutusis atraminis lygis. Pereinamasis skrydžio lygis yra žemiausias įmanomas skrydžio lygis virš pereinamojo aukščio.
Nustačius atraminį standartinį slėgį, lakūnui nebereikia kiekvieną kartą suderinti atraminio slėgio, skrendant iš/į skirtingų oro sąlygų zonas. Skrydžio aukštis tada nebepriklauso nuo konkretaus oro slėgio ir temperatūros aerodrome. Tačiau visiems orlaiviams atraminis slėgio lygis bus vienodas ir jiems skrendant nevienoduose aukščiuose (užimant nurodytą skrydžio lygį FL) galima išlaikyti saugų vertikalų atstumą tarp jų.
Standartinį aukštį nuo atraminio standartinio lygio barometrinis aukščiamatis gali matuoti visada, nes jis šiam aukščiui suderintas dar gamykloje. Lakūnui reikia tik sukalibruoti aukščiamatį, nustatant skalėje ar būgnelyje standartinį atraminį 1013,2 hPa (760 mm Hg ar 29,92 colių Hg) slėgį. Klausti skrydžio vadovo, koks yra toje vietoje oro slėgis, nebereikia.
Sutapatinus visas rodykles su nuline padala, aukščiamatis slėgio skalėje rodys vietos oro slėgį.
4. Aukštį pagal oro tankį (angl. Density Altitude). Gaminant barometrinius aukščiamačius sudėtinga juose įtaisyti temperatūros korekcijos mechanizmą, todėl aukštis matuojamas neatsižvelgiant į temperatūrą, t. y. aukštis tiksliausiai rodomas, tik kai oro sąlygos yra standartinės. Kuo daugiau oro sąlygos skiriasi nuo standartinių, tuo didesnės aukščiamačio paklaidos. Skrendant virš pereinamojo aukščio, į jas galima neatsižvelgti, nes kintant oro sąlygoms visi skrydžio lygiai proporcingai pasislenka žemyn ar aukštyn ir vertikalusis atstumas tarp gretimuose skrydžio lygiose skrendančių orlaivių beveik nesikeičia.
Ant žemės ar skrendant žemai, oro sąlygas reikia įvertinti. Šilto oro tankis mažesnis, oras tarsi išsipučia ir toks pat slėgis yra aukščiau nuo žemės. Žemėjant oro temperatūrai oras tarsi susislegia. Oro tankis yra tiesiai proporcingas slėgiui ir atvirkščiai proporcingas temperatūrai. Tačiau tas ar kitas oro tankis bus tik esant konkrečiai oro slėgio ir temperatūros kombinacijai. Tai reiškia, kad orlaivio aerodinaminės charakteristikos ir jo variklio režimas iš esmės priklauso ne nuo jo faktinio aukščio nuo jūros lygio metrais ar pėdomis, bet nuo to, koks yra oro tankis tame aukštyje, t. y. nuo aukščio pagal tankį (Density Altitude). Aukštis pagal tankį yra aukštis pagal slėgį su korekcija dėl nestandartinės temperatūros. Aukštis pagal tankį sužinomas iš sudarytų lentelių ar apskaičiuojamas pagal formules.
Kairysis orlaivis (13 pav.) skrenda šiltame ore, todėl jo aukščiamatis rodo mažesnį skrydžio aukštį negu iš tikrųjų yra. Faktinis šio orlaivio aukštis (atstumas nuo žemės) tada yra didesnis, negu rodo aukščiamatis. Kai skrendama standartinės temperatūros ore, pakilus, pavyzdžiui, iki 3000 m, lygiai tokį pat 3000 m aukštį rodys viduriniojo orlaivio aukščiamatis. Dešinysis orlaivis skrenda šaltesniame už standartinį ore, todėl jo metodinė paklaida turi priešingą ženklą. Šaltesnis oras yra tankesnis ir labiau susispaudęs. Pasikeitus faktiniam aukščiui nuo 0 iki 3 000 m, slėgio pasikeitimas šaltame ore bus didesnis ir orlaivio aukščiamatis rodys didesnį aukštį. Skrendant žemai, pavojingiausias yra atvejis, kai oro temperatūra yra labai žema. Faktinis orlaivio aukštis tada yra žemesnis negu rodo aukščiamatis ir padidėja pavojus susidurti su aukštomis antžeminėmis kliūtimis.
13 pav. Aukščiamačių temperatūrinės metodinės paklaidos
Oro tankį reikia įvertinti kylant ar tupiant. Tame pačiame KTT dėl oro tankio pokyčio keičiasi orlaivių variklių trauka, sparno ar menčių keliamoji jėga ir kiti aerodinaminiai parametrai, pavyzdžiui, esant labai aukštai temperatūrai, lėktuvo riedėjimo kelias kylant labai pailgėja.
Paprasčiausieji aukščiamačiai rodo tik skrydžio aukštį rodyklėmis, matavimų tikslumas apie ±10 m arti žemės ir apie ±30 m dideliuose aukščiuose. Didesniuose orlaiviuose aukščiamačiai rodo ne tik skrydžio aukštį, bet matavimo rezultatus keičia elektriniu signalu ir siunčia jį automatinėms orlaivių valdymo sistemoms, radijo atsakikliams, variklio traukos valdymo įrenginiams, skrydžio duomenų registratoriams ir kitoms sistemoms. Tokių aukščiamačių pagrindinė prietaiso ašis per dantratines poras suka bekontakčio sinusinio–kosinusinio transformatoriaus rotorių. Jo apvijose gaunamas aukščio signalas. Kituose aukščiamačiuose kapsulių deformacija suka rodykles ir stumia potenciometro šliaužiklį. Tada kitos sistemos matuoja aukštį atitinkančią varžą.
Radijo aukščiamačius, matuojančius absoliutųjį aukštį nuo žemės paviršiaus po orlaiviu, turi tik didesnieji lėktuvai ir dauguma sraigtasparnių. Kylant ir tupiant lakūnai naudoja ir barometrinius, ir radijo aukščiamačius. Radijo aukščiamatis yra tikslesnis (paklaida arti žemės paviršiaus yra maždaug ±0,5 m ar net mažesnė).
Keleivinių orlaivių radijo aukščiamačiai matuoja nedidelius – iki 800 m atstumus nuo žemės paviršiaus. Didesniuose orlaiviuose gali būti keli radijo aukščiamačiai. Jie yra vieni pagrindinių prietaisų, siunčiančių signalus orlaivio skrydžio valdymo sistemai FMS, žemės artumo įspėjimo sistemai GPWS, perkrovų matavimo ir kitoms sistemoms. Kariniuose orlaiviuose naudojami impulsiniai radijo aukščiamačiai, kurie gali matuoti didelius aukščius.
Skrydžio greičio matavimas
Šie prietaisai matuoja orlaivio greitį jį supančio oro atžvilgiu arba žemės atžvilgiu. Pagal veikimo principą juos galima suskirstyti į manometrinius, radiotechninius ir inercinius.
Manometriniai prietaisai naudoja duomenis apie oro slėgį ir oro pasipriešinimo orlaiviui dydį, kuris yra proporcingas pilnutinio ir statinio slėgių skirtumui. Kadangi oro pasipriešinimas priklauso nuo oro tankio, orlaiviui skrendant žemai, pasipriešinimas yra didelis, o skrendant aukštai ir tuo pačiu greičiu žemės atžvilgiu, pasipriešinimas – daug mažesnis. Dėl to yra keletas greičių matavimo būdų, naudojant pilnutinį ir statinį slėgius, išorės oro temperatūrą ir duomenis apie oro spūdumą, atsižvelgiant į orlaivio greitį. Matavimų tikslumas didinamas įvertinat paklaidas dėl netobulo pilnutinio ir statinio slėgių imtuvų išdėstymo orlaivio paviršiuje. Manometriniu būdu matuojami šie greičiai – prietaisinis IAS (angl. Indicated Air Speed), kalibruotasis CAS (angl. Calibrated air speed), ekvivalentinis EAS (angl. Equivalent air speed), tikrasis TAS (angl. True Aair Speed), Macho M (angl. Mach Speed) ir vertikalusis VS (angl. Vertical Speed).
Prietaisinis greitis IAS, dažnai vadinamas indikatoriniu, yra proporcingas oro srauto pasipriešinimui. Nuo jo priklauso aerodinaminių jėgų, veikiančių orlaivį, dydis, todėl nuo jo priklauso orlaivio valdumas. Jį žinant, galima spręsti apie sparno keliamosios jėgos dydį ir orlaivį veikiančias perkrovas. Prietaisinį greitį lakūnai turi tiksliai nustatyti visuose skrydžio etapuose, nuo pakilimo iki nutūpimo.
Prietaisinį greitį matuoja ASI (angl. Air speed indicator). Šis prietaisas yra visuose orlaiviuose. Prietaisinio greičio matuoklio korpusas – hermetiškas, į jo vidų tiekiamas statinis slėgis PS (14 pav.). Korpuso viduje yra diafragma (manometrinė kapsulė), į ją tiekiamas pilnutinis slėgis PP. Kai orlaivis nejuda, šie abu slėgiai yra lygūs ir diafragma būna pradinėje padėtyje. Kuo greičiau orlaivis skrenda, tuo didesnis pilnutinis slėgis patenka į diafragmą, tuo daugiau ji išsiplečia. Plėsdamasi diafragma suka prietaiso rodyklę. Kintant skrydžio aukščiui ir greičiui, kinta pilnutinis ir statinis slėgiai, bet jų skirtumas (dinaminis slėgis) visada lygus oro pasipriešinimui, kurį patiria orlaivis.
14 pav. Prietaisinio greičio matuoklio schema
Diafragma kartu su rodykle gali sukti sinusinio–kosinusinio transformatoriaus rotorių ar potenciometro šliaužiklį. Elektrinis prietaisinio greičio signalas siunčiamas automatinio trajektorijos valdymo ir kitoms sistemoms. Kai oro temperatūra ir slėgis atitinka standartinius, prietaisinis greitis prie pat žemės yra apytikriai lygus orlaivio greičiui žemės atžvilgiu. Skrendant tuo pačiu greičiu aukštai, oro pasipriešinimas ir IAS sumažėja. Prie žemės, kur oro tankis didelis, net truputį pasukus valdymo plokštumą, orlaivis į tai reaguoja ir keičia padėtį. Aukštai valdymo plokštumas reikia daug daugiau palenkti, kad orlaivis darytų norimą manevrą, arba orlaivio prietaisinis greitis turi būti daug didesnis.
Praradus prietaisinį greitį, orlaivis praranda valdumą, gali prasidėti smuka. Esant dideliems greičiams, dėl oro pasipriešinimo atsiranda perkrovų. Prietaisinio greičio rodiklyje ASI gali būti spalvotos skalės, kurios rodo leistinų ir pavojingai didelių greičių ribas (15 pav.).
15 pav. Prietaisinio greičio rodiklis ASI
ASI prietaisinį greitį iki 200 mazgų matuoja ±2–8 proc. tikslumu. Matuojant didesnius greičius, tikslumas yra ±1–4 procentų.
Kalibruotasis greitis CAS matuojamas taip pat, kaip prietaisinis, papildomai įvertinant konkretaus orlaivio statinio slėgio matavimo paklaidas, kurios priklauso nuo statinio slėgio imtuvų vietos orlaivio paviršiuje ir oro srauto aptekėjimo savybių toje vietoje (pvz., atakos kampo). Paklaidos yra didesnės, esant mažiems greičiams (kylant ar tupiant) ar esant dideliems atakos kampams. Kai šių paklaidų nėra, prietaisinio ir kalibruotojo greičių reikšmės būna vienodos. CAS naudojamas vietoje IAS, nes nuo jo skiriasi labai mažai (keliais mazgais). Skraidant didesniais kaip 200 mazgų greičiais, įvertinamas oro spūdumas (suspaudžiamumas) ir matuojamas ekvivalentinis greitis EAS. Dėl oro spūdumo slėgis Pito vamzdelyje padidėja, todėl rodomas padidintas CAS (ar IAS). Kuo didesnis kalibruotasis greitis ir skrydžio aukštis, tuo didesnis skirtumas tarp CAS ir EAS.
Tikrasis greitis TAS yra orlaivio greitis jį supančio oro atžvilgiu. Formulėse TAS dažnai žymimas raide V. Jei nėra vėjo, jis gana tiksliai sutampa su orlaivio greičiu žemės atžvilgiu (kelio greičiu). Skrendančio oro baliono tikrasis greitis visada lygus nuliui, nes jis neturi jėgainės ir žemės atžvilgiu juda tokiu pačiu greičiu ir ta pačia kryptimi, kaip ir balioną supantis oras. Žinant tikrąjį skrydžio greitį, galima skaičiuoti nuskristą kelią. Senesniuose orlaiviuose tai buvo vienintelis būdas sužinoti nuskristą kelią, žinant skrydžio laiką. Matuojant tikrąjį greitį, įvertinamas ne tik oro pasipriešinimas, bet ir jo tankis, ir temperatūra.
Pirmiausia tikrojo greičio matuokliuose kompensuojamas oro pasipriešinimo mažėjimas didėjant aukščiui. Išmatuotas prietaisinis greitis tikslinamas darant aukščio korekciją. Bet to dar neužtenka, nes tikrojo greičio reikšmė turi būti kuo tikslesnė. Dar reikia daryti korekcijas dėl oro temperatūros pasikeitimo, dėl oro spūdumo efekto atsiradimo, didėjant orlaivio greičiui, ir dėl pilnutinio ir statinio slėgių matavimo paklaidų padidėjimo, atsiradus oro sūkuriams imtuvų tvirtinimo vietose orlaivio paviršiuje. Tikrąjį greitį reikia matuoti kuo tiksliau. Tada tiksliau galima skaičiuoti kelio greitį GS (angl. Ground Speed) ir nuskristą kelią žemės paviršiuje. Skirtumas tarp tikrojo ir kelio greičių yra didesnis orlaiviui skrendant prieš vėją ar pavėjui.
Šiuolaikiniuose orlaiviuose tikrojo greičio matuokliai yra pagalbiniai, nes tiksliau matuoti kelio greitį galima radiotechninėmis ir inercinės navigacijos priemonėmis. Tikrojo greičio matuoklio viduje yra manometrinė diafragma ir barometrinė kapsulė (16 pav.). Į hermetišką korpuso vidų žarnele patenka statinis slėgis PS. Kita žarnele į diafragmą patenka pilnutinis slėgis PP. Tikrojo greičio matuoklio rodyklę suka diafragma kartu su kapsule. Didėjant aukščiui, manometrinė diafragma plečiasi mažiau (XM mažėja), nes mažėja oro pasipriešinimas. Barometrinė kapsulė plečiasi, nes ją spaudžiantis statinis slėgis mažėja (XB didėja), todėl rodyklės posūkis atitinka ne prietaisinį, o tikrąjį greitį, t. y. diafragmos ir kapsulės judesių sumą.
16 pav. Tikrojo greičio matuoklio schema
Paprastesniuose mechaniniuose TAS matuokliuose įvertintas tik statinio slėgio (aukščio) kitimas, nes lauko temperatūros signalą XT mechaniniu būdu į kabiną, kur yra prietaisas, siųsti sunku. Standartinės oro temperatūros priklausomybė nuo aukščio yra žinoma, todėl paklaidas dėl temperatūros galima mažinti gaminant barometrinę kapsulę. TAS matuoklių tikslumas yra maždaug ± 8 mazgai skraidant mažesniuose aukščiuose ir apie ± 5 proc. skraidant dideliuose aukščiuose.
Tikslesni elektriniai tikrojo greičio matuokliai yra su lauko oro temperatūros kompensacija. Diafragma ir kapsulė suka ne rodyklę, o potenciometro šliaužiklį. Tikrąjį greitį atitinka potenciometro šliaužiklio įtampa arba varža tarp šliaužiklio ir potenciometro galo. Į potenciometro grandinę paprasta tiekti elektrinį signalą iš lauko termometro ir patikslinti matavimus.
Orlaiviui judant, oras jam priešinasi ir dėl trinties įkaista. Lauko oro temperatūros matuoklis taip pat įkaista, todėl išmatuota oro temperatūra TAT (angl. Total air temperature) yra aukštesnė už faktinę statinę oro temperatūrą SAT (angl. Static air temperature). Temperatūros padidėjimą dėl oro trinties reikia kompensuoti ar apskaičiuoti, nes kitaip TAS ar kiti matavimai bus netikslūs. Kompensavimo dydis nustatomas gaminant temperatūros matuoklį.
Standartinės atmosferos nuliniame aukštyje tikrojo ir kalibruotojo greičių reikšmės yra vienodos: kai HST = 0, tada CAS = TAS. Kadangi CAS nuo IAS mažai skiriasi, literatūroje plačiau naudojamas terminas IAS ir nurodoma, kad IAS = TAS, kai HST = 0. Mažesniuose orlaiviuose gali būti tik vienas prietaisinio greičio IAS matuoklis. Orlaiviui valdyti reikalingas IAS, navigacijai – TAS. Naudojant IAS negalima tiksliai nustatyti nuonašos kompensavimo kampo, kelio greičio skaičiavimo paklaida gali būti labai didelė ir apskaičiuotasis atvykimo laikas ETA (angl. Estimated time of arrival) bus labai netikslus. Tačiau, net naudojant TAS, navigaciniai skaičiavimai nėra pakankamai tikslūs, todėl didesniuose orlaiviuose radiotechninėmis ar inercinėmis navigacijos sistemomis matuojamas kelio greitis GS (angl. Ground Speed).
Greitis IAS (CAS) yra proporcingas oro pasipriešinimui. Jį išmatavus galima spręsti apie keliamosios jėgos dydį ir orlaivio valdumą (kaip orlaivis reaguoja į aerodinaminių plokštumų judesius), bet negalima spręsti apie oro srauto aptekėjimo savybes. Skrendant 1 km ir 10 km aukščiuose ir esant vienodiems prietaisiniams greičiams, keliamosios ir pasipriešinimo jėgų santykiai bus nevienodi, nesutaps keliamosios jėgos centrai, bus nevienodi aerodinamines plokštumas aptekančių oro srautų pasiskirstymai ir kt. Garso sklidimo ore ir toje vietoje skrendančio orlaivio judėjimo savybės yra tokios pačios ir vienodai priklauso nuo oro erdvės toje vietoje parametrų, todėl dideliame aukštyje skrendančiame orlaivyje tikslinga vietoje IAS matuoti Macho greitį. Pagal Macho greitį galima pasirinkti ekonomiškiausią skrydžio režimą (automobilis naudoja mažiausiai degalų, kai jo greitis yra apie 90 km/val.). Garso greitis ore priklauso nuo temperatūros, todėl skirtinguose aukščiuose garso greitis – nevienodas. Macho greitis M yra orlaivio tikrojo greičio santykis su garso greičiu ore G: M = TASV / G. Macho greičio matuoklio schema beveik tokia pati, kaip TAS matuoklio, tik nėra temperatūros kompensavimo, nes garso greičio G dydis priklauso nuo temperatūros. Orlaivio skrydžio aukščio pokytis (aukščio kitimo tempas) matuojamas barometriniais vertikalaus greičio matuokliais VSI (angl. Vertical speed indicator) arba inercinėmis sistemomis. VSI dažnai vadinamas variometru (17 pav.).
17 pav. Variometras ir jo schema
Stebint variometrą lengviau skristi horizontaliai arba keisti aukštį norimu greičiu. Variometro viduje yra manometrinė diafragma. Statinis slėgis į diafragmą žarnele patenka tiesiogiai, o į prietaiso korpuso vidų – pro labai mažą kapiliarinę skylutę K. Skrendant vienodame aukštyje slėgiai diafragmoje ir korpuso viduje yra lygūs ir diafragma – pradinėje padėtyje. Kintant skrydžio aukščiui slėgis diafragmoje tuojau pradeda keistis, diafragma plečiasi ar susispaudžia ir suka rodyklę. Diafragma deformuojasi todėl, kad oras nespėja patekti į prietaiso vidų ir slėgis jame nespėja staigiai pasikeisti. Kuo greičiau kinta skrydžio aukštis (kuo didesnis vertikalusis greitis), tuo daugiau deformuojasi diafragma, nes susidaro didesnis slėgių skirtumas. Diafragmos deformacija yra proporcinga vertikaliajam greičiui. Kai skrydžio aukštis nebesikeičia, slėgiai diafragmos viduje ir aplink ją susilygina ir prietaisas rodo nulinį vertikalųjį greitį. Variometrų trūkumas yra tai, kad, orlaiviui pradėjus skristi horizontaliai, jis vis dar rodo vertikalųjį greitį. Tai trunka, kol slėgiai prietaiso viduje ir diafragmoje susilygina. Netoli žemės tai trunka kelias dešimtąsias sekundės dalis ir keletą sekundžių – dideliuose aukščiuose.
Variometrai yra labai jautrūs, jie reaguoja net į nedidelius skrydžio aukščio pokyčius. Kai oras ramus, VSI daug greičiau parodo prasidėjusią aukščio nuokrypą (vertikalųjį greitį) negu aukščiamačiai, todėl vienodą skrydžio aukštį lengviau palaikyti stebint ne aukščiamatį, o variometrą, palaikant nulinį vertikalųjį greitį. Gaminami įvairaus jautrio variometrai, pavyzdžiui, 2 m/s ar 4 m/s.
Oro duomenų kompiuteriai
Pilnutinio ir statinio slėgių bei aplinkos oro temperatūros duomenų reikia daugeliui įrenginių – aukščiamačiams, greičių matuokliams, radijo atsakikliui, skrydžio lygio sistemai, variklio prietaisams, automatinio valdymo sistemai, suartėjimo su žeme įspėjimo sistemai, skrydžio duomenų registratoriams ir kt. Tiekiant į kiekvieną iš šių įrenginių slėgius atskiromis žarnelėmis, reikia daug statinio ir pilnutinio slėgių imtuvų, slėgių tiekimo sistemos tampa sudėtingos. Žarnelėse kondensuojasi drėgmė, todėl jas reikia kruopščiai prižiūrėti. Sumažinti žarnelių ilgį ir kiekį galima naudojant oro duomenų kompiuterį ADC (angl. Air Data Computer). Oro duomenų kompiuteris yra orlaivio techniniame skyriuje. Jo viduje įtaisyta barometrinė kapsulė ir manometrinė diafragma. ADC statinį ir pilnutinį slėgius, tiekiamus žarnelėmis iš slėgio imtuvų, ir oro temperatūros duomenis TAT iš temperatūros matuoklio keičia į analoginius ir skaitmeninius elektrinius aukščio ir greičių signalus. Šiuos signalus ADC laidais siunčia į kabinos prietaisus ir kitus orlaivio įrenginius. Klasikiniuose pilnutinio ir statinio slėgių sistemos prietaisuose naudojamos barometrinės kapsulės ir manometrinės diafragmos. Dabar žinoma kelios dešimtys fizikinių reiškinių, kurie tinka aukščiams ir greičiams matuoti, pavyzdžiui, oro slėgiai deformuoja pjezokristalus, keičia ričių induktyvumą ir kt.
- Avionika. Orlaivių padėties erdvėje nustatymo priemonės (3 dalis)
- Avionika. Radiotechninės navigacijos priemonės
- Avionika. Skrydžio trajektorijos automatinis valdymas
- Avionika. Ryšio ir skrydžio duomenų registratoriai
Straipsnis parengtas įgyvendinant Europos socialinio fondo bei Švietimo ir mokslo ministerijos remiamą projektą „Mokslininkų vietinio ir tarptautinio bendradarbiavimo skatinimas bei kompetencijų ugdymas“.
Išsamesnė informacija apie šį projektą: http://is.mokslasplius.lt/apie-projekta/.
